超聲波電動機

1、第6章超聲波電動機電劭機Ultrasonic Motor第6章超聲波電動機超聲波電動機及其發(fā)展概況1超聲波電動機的基本原理2超聲波電動機的發(fā)展 3超聲波電動機的優(yōu)點及其應用4超聲波電動機的常見結構與分類5行波型超聲波電動機的驅動控制6超聲波電機存在的問題及研究重點返回主頁教學基本要求分析與思考練習題第6章超聲波電動機返回主頁教學基本要求分析與思考練習題第6章超聲波電動機返回主頁教學基本要求分析與思考練習題第6章超聲波電動機1超聲波電動機的基本原理超聲波電動機(Ultrasonic Motor,簡稱USM)是近年來發(fā)展起來的_種全新概念的驅動裝置，它 利用壓電材料的逆壓電效應(即電致伸縮效應)，

2、把 電能轉換為彈性體的超聲振動，并通過摩擦傳動的 方式轉換成運動體的回轉或直線運動。這種新型電 機一般工作于20kHz以上的頻率，故稱為超聲波電 動機。超聲波電動機的不同命名：如振動電動機(Vibration Motor)> 壓電電動機(Piezoelectric Motor) >表面波電動機(SurfaceWave Motor)、壓電超聲波電動機(Piezoelectric Ultrasonic Motor)、超靑波壓電驅動器/菽行器(Ultrasonic piezoelectric actuator)等等。1.1超聲波電動機的結構Shaft (axls>y- Elasti

3、c body) Piezo-electric I ceramicringsStatorMl上一節(jié)下一節(jié)上一頁下一頁第6章超聲波電動機超聲波電動機由定子（振動體）和轉子（移動體）兩部分組成II但電機中既沒有線圈也沒有永磁體，其定子由彈性體 （Elastic body）和壓電陶瓷（Piezoelectric ceramic）構成轉子為一個金屬板。定子和轉子在壓力作用下緊密接觸，為 了減少定、轉子之間相對運動產(chǎn)生的磨損，通常在二者之間（在轉子上）加一層摩擦材料。辰力工作原理：對極化后的壓電陶瓷元件施加一定的高頻交變電壓, 壓電陶瓷隨著高頻電壓的幅值變化而膨脹或收縮，從而在定子彈性體內激發(fā)出超聲波振動

4、，這種振動傳遞給與定子緊密接觸 的摩擦材料以驅動轉子旋轉。當對粘接在金屬彈性體上的兩片壓電陶瓷施加相位差為90。電角度的高頻電壓 時，在彈性體內產(chǎn)生兩組駐波（Standing Wave）,這兩組駐波合成一個沿定子 彈性體圓周方向行進的行波（Progressive Wave/Travelling Wave）,使得定 子表面的質點形成一定運動軌跡（通常為橢圓軌跡）的超聲波微觀振動，其振 幅一般為數(shù)微米，這種微觀振動通過定子（振動體）和轉子（移動體）之間的摩 擦作用使轉子（移動體）沿某一方向（逆行波傳播方向）做連續(xù)宏觀運動。返回上一節(jié) 下一節(jié)上一頁 下一頁第6章超聲波電動機返回上一節(jié) 下一節(jié)上一頁

5、下一頁第6章超聲波電動機A.行波的形成1.2USM的工作原理1）高頻電壓T駐波將極化方向相反的壓電陶瓷依 次粘貼于彈性體上，當在壓電 陶瓷上施加交變電壓時，壓電 陶瓷會產(chǎn)生交替伸縮變形，在 一定的頻率和電壓條件下，彈 性體上會產(chǎn)生圖示的駐波，用 方程表示為271y =啓cos ° 2壓電陶瓷FE電陶瓷的變形xcosa)0t返回上一節(jié) 下一節(jié)上一頁 下一頁第6章超聲波電動機A行波的形成2）兩駐波T行波設A、B兩個駐波的振幅同為坯，二者在時間和空間上分別相 差90。,方程分別為271xcoso0t2兀力 NoCOSq=sinxsincoJ° 2 0在彈性體中，這兩個駐波的合成為

6、一行波271y = * + 巾 FCOX _ cot丿A行波的形成3)在USM中形成行波USM的定子由環(huán)形彈性體和環(huán)形壓 電陶瓷構成，壓電陶瓷按圖示的A相規(guī)律極化，即可產(chǎn)生兩個在時間和空間上都相差9 0。的駐波。極化規(guī)律：將一片壓電陶瓷環(huán)極化為A. B兩相區(qū)，兩相區(qū)之間有入/4的區(qū)域未極化，用作控制電源反饋信號的傳感器，另有3/4波長的區(qū)域作為兩相區(qū)的公共區(qū)。極化時，每隔1/2波長反 向極化，極化方向為厚度方向。圖中代表壓電片的極 化方向相反，兩組壓電片空間相差九/4,相當于90。，分別通以 同頻、等幅.相位相差為90。的超聲頻域的交流信號，這樣兩 相區(qū)的兩組壓電體就在時間與空間上獲得9 0。

7、相位差的激振。B.彈性體表面的橢圓運動設彈性體厚度為h。若彈性 體表面任一點P在彈性體未 撓曲時的位置為P。，則從P 到P在y方向的位移為e中性軸移動體彈性體.A 行波的御進方向(17CSq sin x o)t (1 cos0)由于行波的振幅比行波的波長小得多，彈性體彎曲的角度e很小，故y方向 的位移近似為返回上一節(jié) 下一節(jié)上一頁 下一頁第6章超聲波電動機返回上一節(jié) 下一節(jié)上一頁 下一頁第6章超聲波電動機sinX CDt丿返回上一節(jié) 下一節(jié)上一頁 下一頁第6章超聲B.彈性體表面的橢圓運動 從P。到P在X方向的位移為所以波電動機反回上一節(jié) 下一節(jié)上一頁 下一頁波電動機8h22兀cos、X-CDt

8、h 一兀 COS °2 t(2乃AX CO cd2 。丿反回上一節(jié) 下一節(jié)上一頁 下一頁第6章超聲波電動機B.彈性體表面的橢圓運動彈性體表面上任意一點P按照橢圓軌跡運動，這種運動使彈性 體表面質點對移動體產(chǎn)生一種驅動力，且移動體的運動方向與 行波方向相反。C. USM的調速方法彈性體表面質點的橫向運動速度為 dsxh .vp dt=叫螢-sm橫向速度在行波的波峰和波谷處最大。若假設在彈性體與移動體接觸處的 滑動為零，則移動體的運動速度與波峰處質點橫向速度相同。其最大速度 為h ° 2八 h%ax =如0% - = -2 f SoAVV-一行波在定子中的傳播速度f電機的激振頻

9、率調節(jié)激振頻率可以調節(jié)電機的轉速，但是有非線性。在保持 兩相駐波等幅的前提下，若忽略壓電陶瓷的應變隨激勵電壓的非線性，改變駐波的振幅切，即調節(jié)壓電陶瓷的激振電壓， 可以做到線性調速，這是調壓調速的一大優(yōu)點。2超聲波電動機的發(fā)展超聲波電動機的發(fā)展大體可分為以下三個階段:探索階段（1948年2（X紀70年代末）USM原型出現(xiàn)2. 實用化階段（20世紀70年代末80年代末）商用USM產(chǎn)品出現(xiàn)3. 深層次研究（20世紀90年代）機理、材料、結構、驅動控制、應用 多樣化1.探索階段（1948年2（X紀70年代末）1）超聲波電動機的概念出現(xiàn)于1948年，英國的Williams和Brown申請了 "

10、;壓電電動機（PiezoelectricMotor）n的專利，提出了將振動能作為驅動力的設想，然而由于當時理論與技術的局限，有效的驅動裝置未能得以實現(xiàn)。2）1961年，Bulova Watch Ltd.公司首次利用彈性體振動來驅動鐘表齒輪， 工作頻率為360Hz,這種鐘表走時準確，每月的誤差只有一分鐘，打破了那 個時代的紀錄，引起了轟動。3）前蘇聯(lián)學者V. V. Lavrinenko于1964年設計了第一臺壓電旋轉電機，此后 前蘇聯(lián)在超聲波電機研究領域一度處于世界領先水平，如設計了用于微型 機器人的有2或3個自由度的超聲波電機、人工超聲肌肉及超聲步進電機等。 不過，由于語言等方面的原因，前蘇聯(lián)

11、的一些重要研究成果并未被西方科學 界所充分了解。4）1969年，英國Salfod大學的兩名教授介紹了一種伺服壓電電機，這種電 機釆用二片式壓電體結構，其速度、運動形式和方向都可以任意變化，響 應速度也是傳統(tǒng)結構電機所不能及的。5）美國IBM公司的Barth也在1973年提出了一種超聲波電動機的模型，從 而使這種新型電機可以實現(xiàn)真正意義上的工作。2.實用化階段（20世紀70年代末80年代末）1978年，前蘇聯(lián)的Vasiliev成功地構造了一種能夠驅動較大負載的壓電超聲波電動機，這種電機使用由位于兩個金屬塊之間的壓電元件所組成的超 聲換能器，將該換能器激起與轉子接觸的振動片縱向振動，通過振動片與

12、轉子間的摩擦來驅動轉子轉動。這種結構的優(yōu)點在于不僅能降低共振頻率, 而且能放大振幅，遺憾的是，這種電機在運轉時由于溫度的升高、摩擦及 磨損等原因，很難保持振動片的恒幅振動。日本的T. Sashida在Vas訂iev的研究基礎上，于1980年提出并成功地制造 了一種駐波型超聲波電動機。該電機使用Langevin激振器，驅動頻率為in27.8 kHz,電輸入功率為90W,機械輸出功率為50W,輸出扭矩為0. 25N-m, 首次達到了能夠滿足實際應用的要求，但由于振動片與轉子的接觸是固定 在一個位置上，仍存在著接觸表面上摩擦和磨損等問題。1982年，Sashida又提出并制造了另一臺超聲波電動機行波

13、型超聲波 電動機，從原來的由駐波定點、定期推動轉子變換成由行波連續(xù)不斷地推 動轉子,大大地降低了定子與轉子接觸面上的摩擦和磨損。這種電機能夠 運轉的實質就是定子表面的質點形成了橢圓運動。之后，在日本掀起了利 用各種振動模態(tài)的研究熱潮，如利用縱向、彎曲、扭轉等振動來獲得橢I 運動。這種電機的研究成功，為超聲波電動機走向實用階段奠定了基礎。USR30o1987年，行波超聲波電動機終于達到了商業(yè)應用水平。此后許多超聲波電 動機新產(chǎn)品不斷地研制出來并推向市場。到20世紀80年代中期日本已形成 三個系列的超聲波電動機：即日立馬克賽爾公司的駐波扭轉耦合器系列、 松下電器公司的行波系列和新生公司的彎曲波模態(tài)

14、系列。除日本外， Electro Mechanical Systems公司也推出了英國第一個商用超聲波電動 機系列產(chǎn)品3.深層次研究(20世紀90年彳弋)、構造新在20世紀80年代，國外的研究工作主要集中在研究新的驅動機理 的結構形式、開發(fā)新型電機等方面，著重于動力傳輸?shù)膶崿F(xiàn)，尚未能顧及 到性能的改善。由于對超聲波電動機的基礎理論研究得不夠透徹，沒有形 成完整的設計理論，使超聲波電動機的研究帶有一定程度的盲目性。直到90年代后，超聲波電動機的建模、性能預測等理論問題才開始引起關注,但至今尚無系統(tǒng)的論述。目前，世界各國對超聲波電動機的研究極為活躍，超聲波電動機的研究趨 向多元化。例如，美國利用其

15、先進的材料和IC工藝研制出的微型超聲波電 動機，其尺寸僅有數(shù)百微米(250Pmx500Hmx2gm),驅動電壓的典型值是5V, 最低為1.5V,轉速為150r/mino而大型超聲波電動機的扭矩達400Nm。返回上一節(jié) 下一節(jié)上一頁 下一頁第6章超聲波電動機3超聲波電動機的優(yōu)點及其應用超聲波電動機將電致伸縮、超聲振動、波動原理這些毫不相干的概念與 電機聯(lián)系在一起，創(chuàng)造出一種完全新型的電動機。(D 昨大轉矩 在超聲波電機中，超聲振動的振幅一般不超過幾微 米，振動速度只有幾厘米每秒到幾米每秒。無滑動時轉子的速度由振動 速度決定，因此電機的轉速一般很低，每分鐘只有十幾轉到幾百轉。由 于定子和轉子間靠摩

16、擦力傳動，若兩者之間的壓力足夠大，轉矩就很大。(2)體積小、重量輕:超聲波電機不用線圈，也沒有磁鐵，結構相 對簡單，與普通電機相比，在輸出轉矩相同的情況下，可以做得更小、 更輕、更薄。l=J反應速度快控制特性好:超聲波電動機靠摩擦力驅動，移動 體的質量較輕，慣性小，響應速度快，起動和停止時間為毫秒量級。因 此它可以實現(xiàn)高精度的速度控制和位置控制。3超聲波電動機的優(yōu)點及其應用4）無電磁干擾:超聲波電動機沒有磁極，因此不受電磁感應影響。同 時，它對外界也不產(chǎn)生電磁干擾，特別適合強磁場下的工作環(huán)境。在對 EMI（電磁干擾）要求嚴格的環(huán)境下，采用超聲波電機也很合適。 停止時具育保持力蔻:超聲波電動機的

17、轉子和定子總是緊密接 觸，切斷電源后，由于靜摩擦力的作用，不釆用剎車裝置仍有很大保持力 矩，尤其適合宇航工業(yè)中失重環(huán)境下的運行。 彩式靈活設計自由度大:超聲波電動機驅動力發(fā)生部分的結 構可以根據(jù)需要靈活設計。第6章超聲波電動機3超聲波電動機的優(yōu)點及其應用由于超聲波電動機具有電磁電機所不具備的許多特點，盡管它的發(fā)明與發(fā)展僅有20多年的歷史，但在宇航.機器人.汽車.精密定位. 的應用。醫(yī)療器械.微型機械等領域已得到成功日本Canon公司將超聲波電機用于其EOS620/650自動聚焦單 鏡頭反射式照相機中；歐洲將超聲波電機用于實驗平臺及微動設備，如1986年獲Nobel物理學獎的掃描隧道顯微鏡(ST

18、M);美國在宇宙飛船.火星探測器.導彈.核彈頭等航空航天 工程中也都陸續(xù)應用了超聲波電動機。第6章超聲波電動機Tiny，Ultrasonic Piezoelectric MotorsPenn State University, USA清華大學研制的微型超 聲電機(2001)China Develops World fs Thinnest Ultrasonic Motor (People's Daily Online，December 06,2001)The white cylindrical motor，developed by China's prestigious Qing

19、hua University is 5-millimeter long and weighs 36 mg. Its diameter is only one millimeter. The mini motor can be used in medical applications bioscience and national defense.日本Canon公司將USM用于 照相機的聚焦系統(tǒng)返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁 下一頁第6章超聲波電動機NASA將超聲電機用于空間機器人技術Coddar Space F ligh t Cen ter將超聲電機應用于空間機器人 技術。其中微型機器手MicroAr

20、m I使用了具有力矩0. 05 Nm的超聲電機。火星機器手MarsArm II使用了3個具有力 矩為0. 68Nm 和一個具有0. 11 Nm 的超聲電機美國Vanderbilt大學將超聲電機應用于微型飛行器美國加州大學研制的智能藥片4超聲波電動機的常見結構與分類ShellRotor-Base.Bearingr. . I Spring:& 1Frictional ma t erialStator由底部粘接著壓電陶瓷元件的環(huán)狀定子和環(huán)狀轉子構成。對極化后的壓電E3陶瓷元件施加一定的高頻交變電壓，在定子彈性體中形成沿圓周方向的彎 曲行波。對定、轉子施加一定的預壓力，轉子受到與行波傳播方向相

21、反的 摩擦力作用而連續(xù)轉動，定子上的齒槽用于改善電機的工作性能。直線式行波型超聲波電動機運動方向移動體定子導軌壓力行波傳攝方向（吸is器）吸撮器（滋撮器）山即 im,i y型ijnynn'、壓電陶瓷移動體雙Langevin振子型:利用兩個 Langevin壓電換能器，分別作為激 振器和吸振器，當吸振器能很好地 吸收激振器端傳來的振動波時，有 限長直梁似乎變成了一根半無限長 梁，這時，在直梁中形成單向行波, 驅動滑塊作直線運動。當互換激振 器與吸振器的位置時，形成反向行 波，實現(xiàn)反向運動。單軌型直皴超聲波電動機,把金屬兩 端焊接起來形成田徑跑道狀的定子軌 道，并在上面設置具有壓緊裝置的移

22、 動體（滑塊）。壓電陶瓷片粘在導軌的 背面，通過兩相時間、空間互差90。 電角度的壓電陶瓷橫向伸縮，在封閉 的彈性導軌中激發(fā)出由兩個同頻駐波 疊加而成的行波，以此驅動壓緊在導 軌上的滑塊做直線運動。返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁 下一頁第6章超聲波電動機(3)駐波型超聲波電動機Sashi da研制的楔形駐波型超聲波電動機: 由Langevin振子、振子前端的楔形振動片 和轉子三部分組成。Langenvin 壓電振子i .轉一 b子13iX腹動片振動片頂端軌適(振子的端面沿長度方向振動，楔形結構振動片的前端面與轉子表面稍微 傾斜接觸(夾角為6),誘發(fā)振動片前端產(chǎn)生向上運動的分量，產(chǎn)生橫向共 振，縱橫振動

23、合成的結果，使振動片前端質點的運動軌跡近似為橢圓。 振動片向上運動時，振動片與轉子接觸處的摩擦力驅動轉子運動；向下 運動時，脫離接觸，沒有運動的傳遞，轉子依靠其慣性保持方向向上的 運動狀態(tài)。這種電機設計簡單，但存在兩個缺點：在振動片與轉子接觸處磨損嚴重; 轉子轉速較難控制，僅能單方向旋轉。(3)駐波型超聲波電動機扭轉連接器取代了楔形振動片，借助扭轉連接器將壓電Langevin痕子就蓋板調整板小丨I壓電片O轉子一扭轉連接器種電機轉速達到120r/min, 輸出轉矩1.3Nm,能量轉換 效率為80%,超過傳統(tǒng)電磁 型電機。采用扭轉連接器的駐波型超聲波電動機日立Maxell公司的改進型駐 波超聲波電

24、動機，采用機械 振子產(chǎn)生的縱向振動誘發(fā)出 扭轉振動，兩種振動在扭轉 連接器前端合成質點橢圓運 動軌跡，驅動轉子旋轉。這駐波超聲波電動機是利用在彈性體內激發(fā)的駐波來驅動移 動體移動。但是，單一的駐波并不能傳遞能量，因為彈性體 表面質點作同相振動。因此，駐波型超聲波電動機通過激發(fā) 并合成相互垂直的兩個駐波，使得彈性體表面質點作橢圓振 動，直接或間接地驅動移動體運動而輸出能量。根據(jù)激勵兩個駐波振動的方式不同，駐波超聲波電動機分為 縱扭撅動復合型：采用兩個獨立的壓電振子分別激發(fā)互相垂直的兩個 駐波振動，合成彈性體表面質點的橢圓振動軌跡。濮態(tài)轉換型:模態(tài)轉換型僅有一個壓電振子激發(fā)某一方向的振動，再 通過

25、一個機械轉換振子同時誘發(fā)與其垂直的振動,二者合成彈性體表面 質點的橢圓振動軌跡，驅動移動體運動。（如前兩例）Shaft定RotorS"AtOrSofimEtecvodesLo%MuCJifwIR9$Qna：QTSuocOftirig RaleWear ProofMa4vr ialTorsional RggonglCT縱扭復合型超聲波電動機結構定子由兩個獨立的振子所 組成：縱向振子控制定子與轉子之間的摩擦力（正壓力）；扭 轉振子控制輸出轉矩。由于兩種復合運動可獨立控制，所以其輸出轉矩大，工作穩(wěn)定，可雙向 運動，并且為設計者提供了較大的設計空間。(4)定子與轉子之間不直接接觸， 而是在它

26、們之間填充一種介質: 液體或氣體。當定子振動時， 也就引起了介質的振動，在介 質與轉子的接觸面就形成了摩 擦力，從而驅動轉子運轉。非 接觸式超聲波電動機是以犧牲 轉矩為代價的，其驅動力都很 東京工業(yè)大學Tohgo Yamazaki等研制的圓筒型非接觸式超聲波電動機。其 定子由硬鋁制成，定子圓筒長為16.5mm、內徑56mm、外徑618mm,并由 兩個Lan繆vin振子激勵，形成行波。筒型轉子放置在定子筒內。當定子產(chǎn) 生行波時，轉子懸浮起來并沿著行波前進方向旋轉。驅動電源的頻率為 26kHz,電機的最高轉速可達3000 r/min。由于釆用了 Langevin振子,電機 結構變得復雜，占有的空間

27、較大，而且形狀不規(guī)則，因而限制了它的應用 場合。(5)多自由度超聲波電動機軸向力接觸導向定子 b轉子驅動方向勢3S旋轉軸軸向力兩自由度超聲波電動機電機由球形轉子、兩對徑向定子等組成。定子是 一個短圓柱體，用等截面梁穿過定子來施加軸向 力，使得定子與轉子緊密接觸。利用粘貼在定子 上的壓電陶瓷同時在定子上激發(fā)出兩個在空間互 相垂直的振動模態(tài)，兩個模態(tài)合成使得定子側表，亠l亠，面產(chǎn)生行波，從而通過摩擦接觸驅動球形轉子轉 三自由度超聲波電機 動。兩對徑向定子置于一個平面內不同的位置， 這樣電機就可得到兩個自由度的運動。第6章超聲波電動機第6章超聲波電動機超聲波電動機直線式廠行波型J駐波型Y接觸式按彈性

28、體和運動體的匸接觸情況分L非接觸式廠按結構和運動形式分殆址卡1按激勵兩個駐 旋轉耳匚 淪葩舌才令縱扭復合型模態(tài)轉換型超聲波電動機的分類第6章超聲波電動機5行波型超聲波電動機的驅動控制行波USM的常用控制方式:控制電壓幅值/旦調速范圍受到限制。電壓過低,壓電元 件不會起振;電壓過高，又會接近壓電元件的工作極限。(2)變頻控制,通過調節(jié)諧振點附近的頻率控制速度和力矩, 因為電機動作點在諧振點附近，且調頻具有響應快的特 點。變頻調速對超聲電機較為合適。(3)相位差控制.改變兩相電壓的相位差，從而改變定子表面 質點的橢圓運動軌跡。但低速啟動困難,驅動電源設計 較為復雜。返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁 下一頁第

29、6章超聲波電動機返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁 下一頁第6章超聲波電動機大移相a返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁 下一頁第6章超聲波電動機返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁 下一頁第6章超聲波電動機USM頻率控制的的驅動與控制電路框圖返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁 下一頁第6章超聲波電動機控制策略不足之處USM的幾種證制策略控載特點返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁 下一頁第6章超聲波電動機控制策略不足之處返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁 下一頁第6章超聲波電動機控制策略不足之處白動頻 率跟蹤 控制PI控制軟件變 第益PI 控制器白適應 控制取模檯 糊控制正反轉 PWM控 制在也定負載下，驅動頻 率始終能跟蹤定子諧振 頻率的變化而保證馬 達的轉速包定-

30、嬪益畫定.控制算法簡 單，控制器詢方便.増益隨吋改變，算法復 雜，在線進行.模型相近，參數(shù)在線辨 識M時凋整，隨時補償 速度特性的偏差使Jtl基于微處理器的兩 輸入單輸出漠糊控制 器，控制速度快，無需數(shù) 學摸型-擁有較好的線性，能方 便地在運動與口鎖狀態(tài) 冋改變.沒冇完全補償電機的非 線性利.用電機本身數(shù) 學摸型不足.對員載變 化引起的速度變化作衍 不大=控制性儲一般隨肴電機特性的變化, 苴控制效果會明顯一變 差-控制器需姜嵌入復雜的 計算單元畐階次的數(shù)學漠型辨識 需妾大星的計算時間姜有較多的電機運行經(jīng) 驗-控制精度不夠高有切 挾噪聲對馬達的摩擦 界面有按傷極少采用-返回上一節(jié)下一節(jié)上一頁 下一頁第6章超聲波電動機6超聲波電機存在的問題及研究重點USM與傳統(tǒng)電磁式電機相比有無可替